探索基于STEAM理念的实验装置改造项目

STEAM教育的目标是培养学生具备以下能力和素质：跨学科思维能力、创新思维能力、实践能力、团队合作精神、问题发现与解决能力、终身学习能力。为了培养学生以上能力，笔者尝试把STEAM教育理念融入周末的社团课程。社团课拟定为项目式教学模式，但什么样的项目主题适合初中生是笔者苦苦思索的内容。功夫不负有心人，在上下求索中，笔者发现实验教学存在的问题可作为社团课的主题。实验教学存在的问题是：实验是理化生教学重要的方面，能让学生通过动手实验理解、掌握已学的知识，但在实际实验过程中，常常因为安全性老师不敢做，或因为需要时间较长，老师不能做，又或者因为精确性，不能达到想要的效果。于是笔者把本单元社团课的项目主题定为“改进化学实验装置”。下面以“改造再探测定空气中氧气含量实验装置”这一项目为例，阐述项目实施的过程中如何融入STEAM教育理念。

一、定义学生要掌握学习的基础知识，依据基础知识设计综合课程项目

基础知识是STEAM教育的根本，包括科学知识、数学知识、艺术知识、文学知识、语言知识、哲学知识、技术方法等。

综合课程是STEAM教育的核心，是各学科的融合，来源于实际生活，来源于与我们的生活、生存息息相关的事物，如科学、社会、人文、历史、地理、生物都是与我们息息相关的，这样学生才能够提出自己的观点，形成创新意识。“改造再探测定空气中氧气含量实验装置”这一项目是在定义基础知识的基础上，引导学生关注实验装置存在的问题，并尝试使用开源硬件与激光切割机改进实验装置而设计的综合课程项目。

二、按工程实践方式完成综合课程项目

在综合课程项目实践过程中，学习并运用基础知识，提出创造性的方案，使用各种技术方法和各种工具，在合作沟通中解决实践中遇到的问题，按工程实践方式完成综合课程项目。

第一，创设情境，在改造实验装置项目中培养学生发现问题的能力。在上课时，引导学生对常用的实验仪器进行分析，因为传统测定空气中氧气含量的仪器，是用肉眼观察燃烧的白磷或红磷，使另一烧杯的水倒流，分析出燃烧消耗了氧气。提出：空气中的氧气测定，是用白磷还是红磷燃烧后进行测定更精准，如何测定燃烧后试管里的氧含量。

第二，交流方案，在合作探究讨论方案时培养学生团队合作精神与创新思维。笔者把三名学生划定为一组，引导学生小组合作、探究利用信息课中学习的开源硬件，设计出一款可以精准测定氧气含量的装置，思考该装置需要哪些传感器、控制器等设备，给装置设计外观，形成方案报告。在课堂上笔者展示各组的方案报告，讨论方案的可行性以及需要改进的地方，让每个小组代表畅所欲言，在交流碰撞中激发学生的灵感，培养学生创新思维，最终选出一种最优方案：装置是由掌控板、掌控板扩展板、氧气浓度传感器、气压传感器、温度传感器等硬件组成，用mind+图形化编程实现需要的功能，该装置的外观选用椴木板制作，用LaserMaker设计，用激光切割机加工。

第三，动手实践，在综合运用学科知识与技能解决问题中培养学生解决问题的能力与创新思维。在笔者的协助下，学生分课时，按以下步骤，讨论制作出实验所需的装置。

1.动手组装装置的硬件部分

该部分涉及物理电路相关知识，如正极、负极、数字信号等，正确连接传感器到扩展板的针脚，才能在物理层面上正确接通部件。学生根据微课，小组合作动手把掌控板、扩展板、氧气浓度传感器、气压湿度传感器组装在一起时，教师补充数字信号与模拟信号的知识，协助检查线路连接正确与否。

2.编程实现装置的功能

程序分为两方面：一为上传到掌控板的图形化编程程序，主要是将氧气浓度等各类传感器上收集到的数据通过WiFi上传到UDP服务器；二为电脑端程序，即在收到数据后，通过Matplotlib库进行的可视化处理。学生需要有图形化编程的基础知识，如Mind+软件如何添加硬件的相关模块以及控制、运算符、变量、掌控等模块指令的使用经验，以及Python编程基础。在此经验基础上，教师补充扩展板指令、气压湿度传感器指令、用户库的“I2C氧气浓度传感器”指令如何使用的知识以及Matplotlib库的调用知识。学生上机操作，小组合作探究该如何编写程序才能实现相应的功能。学生打开Mind+软件，选择“扩展”功能，添加“主控板”中的“掌控板”，“扩展板”中的“micro：bit&掌控扩展板”，“用户库”搜索“氧气传感器”，找到“I2C氧气浓度传感器”“传感器”中的“BMP388气压温度传感器”后，并编写图形化程序。

学生在教师协助下通过Matplotlib库对传感器接收到的数据进行可视化处理。部分程序代码如下：

from matplotlib import pyplot as plt

import matplotlib.animation as animation

import datetime as dt

import matplotlib

import time

import socket

#創建套接字

udp_socket=socket.socket（socket.AF_INET， socket.SOCK_DGRAM）

localaddr=（"192.168.28.111"，8888）#必须绑定自己电脑IP和port

udp_socket.bind（localaddr）

data=[]

matplotlib.rcParams['font.family']='FangSong'  #设置字体样式

fig=plt.figure（num='气体温度压强测量'，figsize=（12，6），dpi=100）

ax1=fig.add_subplot（1，1，1）

ax1.yaxis.set_tick_params（labelcolor='b'）#matplotlib库的轴模块中的Axis.set_tick_params（）

ax1.yaxis.set_tick_params（color='b'）

ax2=ax1.twinx（）#将ax1的x轴也分配给ax2使用

ax2.yaxis.set_tick_params（labelcolor='r'）

ax2.yaxis.set_tick_params（color='r'）

ax3=ax1.twinx（）#将ax1的x轴也分配给ax2使用

ax3.yaxis.set_tick_params（labelcolor='g'）

ax3.yaxis.set_tick_params（color='g'）

xs=[]

ys1=[]

ys2=[]

ys3=[]

defanimate（i，xs，ys1，ys2，ys3）：

recv_data=udp_socket.recvfrom（1024）#接受套接字的數据

print（recv_data）#可以看到接收的数据

recv_msg=recv_data[0]

send_addr=recv_data[1]

#O2_nd=recv_data[2]

data=recv_msg.decode（"gbk"）.split（"："）

press=int（eval（data[0]））

temp=int（eval（data[1]））

O2=int（eval（data[2]））

xs.append（dt.datetime.now（）.strftime（'%H：%M：%S'））

ys1.append（press）

ys2.append（temp）

ys3.append（O2）

xs=xs[-20：]

ys1=ys1[-20：]

ys2=ys2[-20：]

ys3=ys3[-20：]

ax1.clear（）

ax2.clear（）

ax1.set_ylabel（'气压P/×100Pa'，color='b'，size=15）

ax1.set_ylim（300，1600）

ax1.tick_params（'x'，labelrotation=45）

ax2.set_ylabel（'温度℃'，color='r'，size=15）

ax2.set_ylim（0，100）

ax3.set_ylabel（'氧气浓度'，color='g'，size=15）

ax3.set_ylim（0，100）

ax1.plot（xs，ys1，'b.-'）

ax2.plot（xs，ys2，'r.：'）

ax3.plot（xs，ys3，'g.：'）

plt.title（'测量气体压强、温度'，size=20）

fora，b，c，dinzip（xs，ys1，ys2，ys3）：

ax1.text（a，b，b，ha='center'，va='bottom'，color='b'，fontsize=15，alpha=0.5）

ax2.text（a，c，c，ha='center'，va='bottom'，color='r'，fontsize=15，alpha=0.5）

ax3.text（a，c，d，ha='center'，va='bottom'，color='g'，fontsize=15，alpha=0.5）

ani=animation.FuncAnimation（fig，animate，fargs=（xs，ys1，ys2，ys3），interval=1000）

plt.show（）

udp_socket.close（）#关闭套接字

（该程序参考：https：//makelog.dfrobot.com.cn/article-311330.html所做实验，特此感谢）

3.设计制作装置的外观

在外观制作中，笔者引导学生根据现有装置，使用草图大师（Sketchup）进行设计，并将完成的3D图切片放到LaserMaker中调整后利用激光切割机制作完成。

4.实验装置的改造通常是为了提高测量的准确性和效率

为了评估改造后的装置是否能达到预期效果，我们需要进行一系列的实验并收集数据进行分析。在学生设计实验器材后，教师出示准备的实验器材，与学生设计的器材比较优劣，学生使用该器材，观察现象及数据变化。分析使用白磷与红磷实验时数据的变化，本装置是利用掌控板、掌控板扩展板、氧气浓度传感器、气压传感器、温度传感器等组成，旨在探究过量红磷与白磷在燃烧过程中氧气浓度、气压等的变化。在实验中，我们发现随着过量红磷燃烧使试管内温度上升，氧气浓度急剧下降，当红磷熄灭时，氧气浓度接近8%，同时管内的气压先上升后下降，而过量白磷燃烧熄灭后，氧气浓度降到3%左右，从而可得出用白磷做实验时会消耗更多的氧气。

STEAM教育强调跨学科的整合与应用，使学生能够跳出传统的学科界限，从更广泛的视角去思考和解决问题。这种综合性的学习方式有助于培养学生的创新思维和批判性思考能力，使他们在未来的学习和工作中更具竞争力。

在实验装置改造项目中，学生需要运用化学知识解决实际问题，这有助于提高他们的学习兴趣和积极性。通过动手操作，学生可以更好地理解抽象的化学概念，加深对知识的掌握。同时，实验过程中可能会出现各种问题和挑战，学生需要学会面对困难，积极寻求解决方案，这有助于培养他们解决问题的能力。

团队合作是STEAM教育的重要组成部分。在实验装置改造项目中，学生需要分工合作，共同完成任务。这有助于培养他们的沟通、协作和领导能力，为未来的职业生涯打下基础。

总之，基于STEAM理念的实验装置改造项目为学生提供了一个全面性、实践性和创新性的学习平台，有助于培养他们的综合素质和能力，这对培养未来社会所需的创新人才具有重要意义。

编辑：赵飞飞

注：福建宁德市基础教育科学研究2021年度课题“初中科技创新活动与新课程教学融合研究”（课题编号：FJNDKY21-133）。

作者简介：林晓勇（1976—），男，福建宁德人，本科，初中信息科技一级教师，研究方向：中学信息科技教学与研究、信息化教学。